晶片內部設計原理及結構分析詳解

抽象

身為電源研發工程師，當然也常接觸各種晶片。有些工程師可能對晶片內部不太熟悉。很多同學在應用新晶片時，直接進入資料集的應用程式頁面，依照建議的設計搭建週邊。就是這樣。這樣，即使應用再好，也忽略了技術細節，並不能為自己的技術成長累積較好的經驗。今天以DC/DC降壓電源晶片LM2675為例，詳細解說以下晶片的內部設計原理與結構。  
 LM2675-5.0典型應用電路  
   
  開啟LM2675的DataSheet，先看框圖。
   
 此圖包含了電源晶片的所有內部單元模組。我們已經很好地理解了BUCK結構。此晶片的主要功能是驅動MOS管，透過偵測FB接腳的輸出狀態形成迴路控制的PWM驅動功率MOS管，從而實現穩壓或恆定電流輸出。 此為非同步模式電源，即續流裝置為外接二極體，而非內部MOS管。讓我們來分析一下各個功能是如何實現的。
  一、參考電壓  
  與板級電路設計的參考電源類似，晶片內部參考電壓為晶片的其他電路提供穩定的參考電壓。這個基準電壓要求精度高、穩定性好、溫漂小。晶片內部的參考電壓也稱為帶隙參考電壓，因為這個電壓接近矽的帶隙電壓，所以稱為帶隙參考。該值約為1.2V，如下圖所示：
 
   
  我們回到課本上來談談公式，PN結的電流電壓公式：  
   
  可見它是指數函數，IS是反向飽和漏電流（即少數載子漂移所造成的PN結漏電流）。 此電流與PN結面積成正比！ 是->S ..這樣可以推導出Vbe=VT*ln(Ic/Is)！回到上圖，依運算分析，VX=VY，則為I1*R1+Vbe1=Vbe2，因此可得：I1=△Vbe/R1，又因為M3、M4的閘極電壓為相同，電流I1= I2，因此推導出公式： I1=I2=VT*ln(N/R1) N為Q1和Q2的PN結面積之比！回到上圖，依運算分析，VX=VY，則為I1*R1+Vbe1=Vbe2，因此可得：I1=△Vbe/R1，又因為M3、M4的閘極電壓為相同，電流I1= I2，因此推導出公式： I1=I2=VT*ln(N/R1) N為Q1和Q2的PN結面積之比！這樣，我們最終得到基準Vref=I2*R2+Vbe2。關鍵是I1是正溫度係數，而Vbe是負溫度係數。調整N的值後，可以實現良好的溫度補償！ 並獲得穩定的參考電壓。 一般業界是依照8來設計的，為了達到零溫度係數，根據公式計算出Vref=Vbe2+17.2*VT，所以在1.2V左右，目前可以做到小於1V的基準低壓場。除了溫度係數之外，還有電源紋波的PSRR抑制等問題，由於水平的原因無法深入。 最後一張圖是這樣的，運用的設計當然也很有講究：
   
  溫度特性模擬如圖所示：  
   
  二、振盪器 OSC 和 PWM
 
我們知道開關電源的基本原理是利用PWM方波來驅動功率MOS管，所以自然需要一個產生振盪的模組。原理很簡單，就是透過電容充放電形成鋸齒波，透過比較器產生佔空比可調的方波。
 
   
最終的詳細電路設計如下：
 
   
 電流模式下的斜率補償存在一個技術困難，其目的是在佔空比大於50%時穩定斜率。我也粗淺的了解一下，有興趣的同學可以詳細研究一下。
  三、誤差放大器
  誤差放大器的作用是對回授電壓進行取樣，確保輸出恆流或恆壓。 進而調整驅動MOS管的PWM，如圖：
 
   
 
  四、驅動電路
 最後一個驅動部分的結構非常簡單，就是一個大面積的、電流能力很強的MOS管。
 
   
 
  五、其他模組電路
  這裡的其他模組電路是為了確保晶片能夠正常可靠地工作，雖然它們不是原理的核心，但是它們在晶片的設計中確實佔據著重要的地位。具體來說，它有幾個功能：
  1、啟動模組   啟動模組的作用自然是啟動晶片工作，因為在上電的瞬間，有可能所有電晶體電流都會為零，保持不變，所以無法工作。 啟動電路的作用相當於“點燃一把火”，然後將其關閉。 如圖所示：上電的瞬間，S3自然導通，然後S2就可以導通M4 Q1等，從而M1 M2導通。右側恆定電流源電路正常運作，S1導通，於是S2截止，啟動完成。 如果沒有S1 S2 S3，則所有電晶體的瞬時電流為0。
   
  2、過壓保護模組OVP  很容易理解，當輸入電壓過高時，可以透過開關管關閉輸出以避免損壞，並且可以透過比較器設定一個保護點。  
   
  3、過溫保護模組OTP   溫度保護是為了防止晶片因異常高溫而損壞。原理比較簡單。利用電晶體的溫度特性關閉輸出，然後透過比較器設定保護點
   
  4、過流保護模組OCP  例如，當輸出短路時，可以透過偵測輸出電流來回饋控制輸出管的狀態，並且可以關閉或限制電流。 如圖所示，電晶體的電流與面積成正比進行取樣。一般採樣管Q2的面積為輸出管面積的千分之一，然後由電壓比較器控制MOS管的驅動。
   
還有一些其他的輔助模組設計  
  六、還有恆定電流源和電流鏡。 
  IC內部，如何透過偏壓電流來設定各個電晶體的工作狀態。恆定電流源電路可以說是所有電路的基石，帶隙基準也是由此產生的。然後，利用電流鏡為各功能模組提供電流。電流鏡用於設定流經電晶體區域所需的電流，類似鏡像。
 
   
  七，總結 
 

以上大概就是DC/DC電源晶片LM2675的整個內部結構了，也是對先前皮毛知識的回顧。 當然，這只是原則上的基本結構。 一個具體的設計需要考慮很多的參數特性，大量的分析和仿真，以及對半導體製程參數的深入理解，因為製造流程決定了晶體管的許多參數和性能。 我做。 有缺陷或完全無法使用。 整個晶片設計也是一個複雜的系統工程，需要良好的理論知識和實務經驗。

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